KR100695185B1 - Method for obtaining macroscopic fibres and strips from colloidal particles and in particular carbon nanotubes - Google Patents

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Abstract

본 발명은 1) 콜로이드 입자를 용제 중에서, 임의로 계면활성제를 사용하여 분산시키고,1) The colloidal particles are dispersed in a solvent, optionally using a surfactant,

2) 1 이상의 오리피스 개구를 통하여 외부 용액류로, 바람직하게는 동일한 온도 및 압력 조건하에서 점도를 측정하여 상기 분산액의 점도보다 큰 외부 용액류로 사출시켜 입자의 분산액을 탈안정화시키고, 임의로 입자를 정렬시킴으로써 섬유 또는 스트립으로 입자를 응집시키도록 하는 것을 특징으로 하는, 콜로이드 입자로부터 섬유 및 스트립을 얻는 방법에 관한 것이다2) Destabilizing the dispersion of particles by injecting into an external solution stream through one or more orifice openings, preferably under the same temperature and pressure conditions, into an external solution stream that is greater than the viscosity of the dispersion, and optionally aligning the particles. To agglomerate particles into fibers or strips, thereby obtaining fibers and strips from colloidal particles.

Description

콜로이드 입자, 특히 탄소 나노튜브로부터 거시적 섬유 및 스트립을 얻는 방법{METHOD FOR OBTAINING MACROSCOPIC FIBRES AND STRIPS FROM COLLOIDAL PARTICLES AND IN PARTICULAR CARBON NANOTUBES}METHOD FOR OBTAINING MACROSCOPIC FIBRES AND STRIPS FROM COLLOIDAL PARTICLES AND IN PARTICULAR CARBON NANOTUBES}

본 발명은 콜로이드 입자로부터 거시적 섬유 및 스트립을 얻는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 탄소 나노튜브의 섬유를 얻도록 하는 방적 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a process for obtaining macrofibers and strips from colloidal particles. More specifically, the present invention relates to a spinning method for obtaining fibers of carbon nanotubes.

본 발명의 한 구체예에 의하면, 본 발명은 이방성이 될 수 있는 콜로이드 입자로부터 생성된 거시적 섬유 및 스트립에 관한 것이다.According to one embodiment of the invention, the invention relates to the macroscopic fibers and strips produced from colloidal particles which can be anisotropic.

탄소 나노튜브는 물리적 성질이 우수하여 각종의 분야, 특히 전자 산업 분야(이의 온도 및 구조에 따라서, 이들은 도체, 반도체 또는 절연체가 될 수 있음)에서, 기계 공학 분야에서, 예를 들면 복합재의 보강재로서 (나노튜브는 강철보다 강도가 100 배 더 강하고, 6 배 정도 더 경량임) 그리고 전기 공학 분야에서 (하전을 인가함으로써 팽창 또는 수축하도록 만들 수 있음) 그 적용예가 발견된다.Carbon nanotubes have excellent physical properties, and in various fields, in particular in the electronics industry (depending on their temperature and structure, they can be conductors, semiconductors or insulators), in the field of mechanical engineering, for example as a reinforcement of composites. (Nanotubes are 100 times stronger and 6 times lighter than steel) and in the field of electrical engineering (which can be made to expand or contract by applying a charge).

그러나, 불행하게도, 현재의 이러한 산업적 적용예에서의 주된 단점은 조절된 구조를 갖는 거시적 형태의 제법이 존재하지 않는데서 비롯된다.Unfortunately, however, the major drawback in this current industrial application is that there are no macroscopic formulations with controlled structures.

거시적 섬유 또는 스트립으로서의 이러한 나노튜브의 생산은 이들의 취급 (수송, 저장 등)을 크게 촉진시키며, 나노튜브가 상기한 적용예에 대하여 더욱 유용 하게 된다.The production of such nanotubes as macroscopic fibers or strips greatly facilitates their handling (transportation, storage, etc.), making nanotubes more useful for the applications described above.

그래서, 특히 복합재 산업에 사용되는 탄소 섬유는 점탄성 혼합물의 방적법에 의한 통상의 방법으로 얻게 된다. 이들은 예를 들면 점탄성 중합체를 인발시키거나 또는 점탄성이 되도록 하기 위하여 가열된 탄소 피치(pitch)를 직접 인발한 후, 가열에 의하여 탄소화함으로써 생산된다. 이러한 기법이 매우 통상적인 것이기는 하나, 이도 또한 플라스틱, 유리 또는 금속에도 적용될 수 있는 것이다.Thus, carbon fibers, especially used in the composites industry, are obtained by conventional methods by spinning methods of viscoelastic mixtures. These are produced, for example, by drawing the heated carbon pitch directly to draw the viscoelastic polymer or to make it viscoelastic, followed by carbonization by heating. While this technique is very common, it can also be applied to plastics, glass or metals.

반대로, 이러한 고온 공정은 콜로이드 입자 함유 용액에는 적용할 수가 없는데, 이는 용제의 분해가 야기될 위험성이 있기 때문이다. 이는 탄소 나노튜브에도 적용이 불가한데, 이는 탄소 나노튜브의 가열이 탄소 나노튜브가 점탄성 상태에 도달하기 이전에 분해되도록 하기 때문이다.In contrast, such high temperature processes are not applicable to colloidal particle-containing solutions, since there is a risk of causing decomposition of the solvent. This is also not applicable to carbon nanotubes, since the heating of carbon nanotubes causes the carbon nanotubes to degrade before they reach a viscoelastic state.

그러므로, 본 발명은 용액 중에 분산된 콜로이드 입자로부터 거시적 섬유 및 스트립, 특히 탄소 나노튜브를 얻는 방법을 제안함으로써 전술한 단점을 극복하고자 하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 이와 같이 하여 얻은 섬유 및 스트립에 관한 것이다.It is therefore an object of the present invention to overcome the aforementioned disadvantages by proposing a method of obtaining macrofibers and strips, in particular carbon nanotubes, from colloidal particles dispersed in solution. The invention also relates to the fibers and strips thus obtained.

이러한 목적을 위하여, 본 발명에 의한 콜로이드 입자로부터 섬유 및 스트립을 얻는 방법은For this purpose, the method of obtaining fibers and strips from the colloidal particles according to the invention

1) 콜로이드 입자를 용제 중에서, 임의로 계면활성제를 사용하여 분산시키고,1) Colloidal particles are dispersed in a solvent, optionally using a surfactant,

2) 1 이상의 오리피스 개구를 통하여 외부 용액류로, 바람직하게는 동일한 온도 및 압력 조건하에서 점도를 측정하여 1)에서 얻은 분산액의 점도보다 큰 외부 용액류로 사출시켜 입자의 분산액을 탈안정화시키고, 가능한한 입자를 정렬시킴으로써 섬유 또는 스트립으로 입자를 응집시키도록 하는 것을 특징으로 한다.2) destabilizing the dispersion of particles by injecting into an external solution stream through one or more orifice openings, preferably under the same temperature and pressure conditions, into an external solution stream that is greater than the viscosity of the dispersion obtained in 1), and By aligning the particles so as to aggregate the particles into fibers or strips.

본 발명의 기타의 특징 및 잇점은 실시예에 의하여 예시되는, 첨부한 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명으로부터 명백할 것이나, 이는 본 발명을 어떠한 방법으로도 제한하는 것으로 이해하여서는 아니된다. 도면에서, Other features and advantages of the invention will be apparent from the following detailed description with reference to the accompanying drawings, which are illustrated by way of example, which should not be construed as limiting the invention in any way. In the drawing,

도 1은 본 발명에 의한 방법의 제2의 단계를 적용하기 위한 실험 장치의 개략적인 예를 도시하는 측면 개략도이다.1 is a schematic side view showing a schematic example of an experimental device for applying a second step of the method according to the invention.

도 2는 본 발명에 의한 방법에 의하여 얻은 꼬인 나노튜브 섬유로부터의 매듭의 형성을 도시하는 일련의 사진이다.2 is a series of photographs showing the formation of knots from twisted nanotube fibers obtained by the method according to the invention.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 의한 방법에 의하여 얻고, 광학 현미경에 의하여 교차된 편광기와 분석기 사이에서 관찰된 탄소 나노튜브의 스트립의 사진을 도시한다.3a to 3c show photographs of strips of carbon nanotubes obtained by the method according to the invention and observed between an analyzer and a polarizer crossed by an optical microscope.

본 발명의 바람직한 구체예에 의하면, 콜로이드 입자로부터 거시적 섬유 및 스트립을 얻는 방법은 2 이상의 단계를 포함한다.According to a preferred embodiment of the invention, the method of obtaining the macrofibers and strips from the colloidal particles comprises at least two steps.

제1의 단계는 수용액 또는 유기 용액 중에서 콜로이드 입자, 특히 나노튜브를 분산시키는 것으로 이루어진다. 이를 위하여, 소수성 성질을 갖는 입자는 용제, 예컨대 물 또는 알콜, 예컨대 에탄올, 임의로 이와 같은 용제 중에서 소수성 입자를 분산시키기 위하여 통상적으로 사용되는 계면활성제를 사용하여 분산된다. 계면활성제를 사용하는 경우, 입자를 코팅시키면, 이의 응집을 방지할 수 있으며, 그리하여 이의 분산액은 안정하게 된다. 사용된 용제가 물인 경우, 분산액은 각종의 음 이온성, 양이온성 또는 중성의 분자 또는 중합체 계면활성제, 예를 들면 도데실 황산나트륨(SDS), 알카릴 에스테르 또는 브롬화테트라데실트리메틸암모늄을 사용하여 얻을 수 있다. 사용한 제제의 성질에 따라서, 이의 농도는 수천분의 1% 내지는 수%가 된다.The first step consists in dispersing the colloidal particles, in particular nanotubes, in an aqueous or organic solution. To this end, particles having hydrophobic properties are dispersed using surfactants commonly used to disperse hydrophobic particles in a solvent such as water or an alcohol such as ethanol, optionally such a solvent. In the case of using surfactants, coating the particles can prevent their agglomeration, so that their dispersions are stable. If the solvent used is water, the dispersion can be obtained using various anionic, cationic or neutral molecular or polymeric surfactants such as sodium dodecyl sulfate (SDS), alkaryl esters or tetradecyltrimethylammonium bromide have. Depending on the nature of the formulation used, its concentration will be in the range of 1% to several%.

콜로이드 입자, 예를 들면 나노튜브의 초기 분산액은 가능한한 균질하여야만 한다. 균질화도는 광학 현미경에 의한 단순하고도 통상적인 방법으로 테스트될 수 있는데, 이러한 광학 현미경은 광학적으로 검출하고자 하는 입자의 응집물의 존재로 인하여 발생한 불균질물의 존재를 용이하게 검출한다.The initial dispersion of the colloidal particles, for example nanotubes, should be as homogeneous as possible. The degree of homogenization can be tested by a simple and conventional method by optical microscopy, which easily detects the presence of heterogeneities which have occurred due to the presence of aggregates of particles to be optically detected.

콜로이드 입자의 더욱 묽은 분산액을 사용하여 형성된 스트립 또는 섬유는 부서지기가 매우 쉬우며, 실(thread)로 전환시키기 위한 취급이 곤란하다. 또한, 더욱 농축된 현탁액을 사용하여 스트립 및 섬유를 제조하는 것도 곤란한데, 이는 균질한 농축 분산액을 얻기가 곤란하기 때문이다. 그러나, 현탁액을 균질하게 유지하면서, 가능한한 농축된 상태로 사용하는 것이 항상 바람직하다.Strips or fibers formed using a thinner dispersion of colloidal particles are very brittle and difficult to handle for conversion into threads. It is also difficult to produce strips and fibers using more concentrated suspensions, because it is difficult to obtain homogeneous concentrated dispersions. However, it is always desirable to use the suspension as concentrated as possible while keeping the suspension homogeneous.

전기 아크에 의하여 합성되는 미가공 나노튜브를 사용하면 초기 분산액을 제조하기 위하여 용제로서 물, 나노튜브 0.3∼0.5 중량%, SDS 분산제 1∼1.5 중량%의 농축물을 사용하는 것이 이롭다.Using raw nanotubes synthesized by an electric arc, it is advantageous to use concentrates of water, from 0.3 to 0.5% by weight of nanotubes and from 1 to 1.5% by weight of SDS dispersant as solvents for the preparation of the initial dispersion.

HiPco법에 의하여 제조된 나노튜브를 사용하는 것은 전기 아크에 의하여 합성된 나노튜브보다 사용하기가 더 용이하며, 예를 들면 0.1 중량% 정도의 낮은 농도에서 사용될 수 있다.Using nanotubes prepared by the HiPco method is easier to use than nanotubes synthesized by electric arc, and can be used, for example, at concentrations as low as 0.1 wt%.

일반적으로, 분산액은 초음파 균질화기를 사용하여 배합되는 것이 바람직하 다. 분산액에 탐침을 직접 침지시키는 균질화기를 사용하는 것이 초음파조를 사용하는 것보다 훨씬 신속하며 그 효율이 더 크다. 통상적으로 초음파조의 동력은 너무 낮아서 입자의 균질하고 비교적 농축된 분산액을 생성할 수가 없다.In general, the dispersion is preferably formulated using an ultrasonic homogenizer. Using a homogenizer that directly immerses the probe in the dispersion is much faster and more efficient than using an ultrasonic bath. Typically the power of the ultrasonic bath is too low to produce a homogeneous and relatively concentrated dispersion of particles.

본 발명에 의한 방법의 제2의 단계는 장력으로 인하여 외부 용액류에 의하여 초기에 부가되는 방향으로 콜로이드 입자의 정렬을 야기하도록 하기 위하여, 동일한 온도 및 압력 조건하에서 점도를 측정하여 분산액의 점도보다 점도가 더 높아야만 하는 것이 바람직한 외부 용액의 층류로 1 이상의 오리피스 개구를 통해 제1단계 후 얻은 입자의 수성 또는 유기 분산액을 사출하는 것으로 이루어진다. 이러한 결과를 얻기 위하여, 외부 용액의 점도 조절제로서, 폴리올 또는 폴리알콜 (예, 폴리비닐 알콜, 알기네이트 또는 셀룰로스) 또는 미네랄(예, 점토)이 될 수 있는 중합체를 사용할 수 있다.The second step of the process according to the invention is to measure the viscosity under the same temperature and pressure conditions to cause the colloidal particles to be aligned in the direction initially added by the external solution stream due to tension, so that the viscosity is higher than the viscosity of the dispersion. It is preferred that the higher the laminar flow of the external solution consists of injecting the aqueous or organic dispersion of the particles obtained after the first step through the one or more orifice openings. To achieve this result, polymers which can be polyols or polyalcohols (eg polyvinyl alcohol, alginate or cellulose) or minerals (eg clay) can be used as viscosity regulators of the external solution.

또한, 외부 용액은 분산된 입자, 특히 가교 효과를 생성할 수 있는 중합체의 응집(또는 엉김)을 유발할 수 있는 화학제를 포함하여야만 하는 것이 바람직하다.In addition, the external solution should preferably contain chemicals that can cause agglomeration (or entanglement) of dispersed particles, especially polymers that can produce a crosslinking effect.

그래서, 계면활성제를 함유하는 입자의 수성 또는 유기 분산액을 오리피스를 통하여 외부 용액에 사출하고, 계면활성제의 흡착된 분자를 외부 용액의 응집제 또는 점도 조절제로 대체할 수 있으며, 그후 입자는 더이상 안정화되지 않으며, 그리하여 오리피스의 출구에서 응집물을 형성하여 그 단면이 사용된 오리피스의 단면에 따라 결정되는 스트립 또는 섬유를 형성하게 된다. 더욱 간편하게는, 입자의 응집은 계면활성제의 탈착에 의하여 유도될 수 있다. 또한, 계면활성제가 흡착된 상태를 유지할지라도, 이러한 입자는 응집제의 존재하에서 응집될 수 있다. Thus, an aqueous or organic dispersion of the particles containing the surfactant can be injected through the orifice into the external solution and the adsorbed molecules of the surfactant can be replaced with a flocculant or viscosity modifier of the external solution, after which the particles are no longer stabilized. Thus, at the outlet of the orifice, an agglomerate is formed to form a strip or fiber whose cross section is determined according to the cross section of the orifice used. More simply, the agglomeration of the particles can be induced by desorption of the surfactant. In addition, even though the surfactant remains adsorbed, these particles may aggregate in the presence of a flocculant.                 

사용 가능한 응집제의 예로는 폴리비닐 알콜, 키토산, 약하게 하전된 고분자 전해질, 예컨대 아크릴아미드와 아크릴산의 공중합체 (이는 또한 점도 조절제로서의 역할을 수행함), 염 (Na+Cl-, K+Cl-) 또는, 입자가 음이온성인 경우 방법의 제1단계에서의 입자를 분산시키기 위하여 사용된 제제의 하전과 반대의 하전 또는 중성인 계면활성제 등이 있다.Examples of flocculants that can be used include polyvinyl alcohol, chitosan, weakly charged polyelectrolytes such as copolymers of acrylamide and acrylic acid (which also serve as viscosity modifiers), salts (Na + Cl , K + Cl ) or And surfactants that are charged or neutral as opposed to the charge of the formulation used to disperse the particles in the first step of the process when the particles are anionic.

일반적으로 고분자량의 PVA를 사용하여 (100,000 g/mol 이상으로) 스트립에 또는 섬유에 더 우수한 응집력을 부여한다. 분자량이 10,000 이상, 특히 10,000∼200,000인 수용성 PVA를 사용하는 것이 이롭다. 입자의 응집이 PVA에 의하여 입자의 이른바 "가교" 효과로 기인한다는 사실로부터 중합체 크기와 함께 효율이 증가되는 것으로 보인다.Higher molecular weight PVA is generally used (at least 100,000 g / mol) to impart better cohesion to the strip or to the fibers. It is advantageous to use water-soluble PVA having a molecular weight of 10,000 or more, in particular 10,000 to 200,000. The efficiency seems to increase with the polymer size from the fact that the aggregation of the particles is due to the so-called "crosslinking" effect of the particles by PVA.

저분자량 (10,000∼15,000 g/mol 정도)의 PVA는 용해가 더욱 신속하며, 용액의 점도 증가가 더 적기 때문에 고농도에서 사용될 수 있다.Low molecular weight (about 10,000 to 15,000 g / mol) PVA can be used at high concentrations because of its faster dissolution and less viscosity increase of the solution.

이는 흡수가 신속하게 이루어질 수 있으며, 고분자량의 중합체보다 더 쉽게 탈착될 수 있는 잇점을 갖는다. 그러나, 스트립 및 섬유는 더 쉽게 부서지며, 이는 가교 형성에 있어서 그리 효과적이지가 않은 것으로 보인다.This has the advantage that absorption can be achieved quickly and can be more easily desorbed than high molecular weight polymers. However, strips and fibers break more easily, which does not appear to be very effective in forming crosslinks.

이들이 균질하지 않을 경우에는 PVA 용액을 여과하는 것이 필수적인 것으로 생각될 수 있다.If they are not homogeneous, it may be considered necessary to filter the PVA solution.

본 발명의 이로운 특징에 의하면, 얻은 섬유 또는 스트립은, 외부 용액 및 분산제가 완전히 탈착되도록 하기 위하여 제2의 단계의 종반에 헹굼 제품을 사용하 여 세정할 수 있다. 특히, 이러한 단계는 순수한 물을 사용한 연속적인 헹굼으로 이루어질 수 있다.According to an advantageous feature of the invention, the obtained fibers or strips can be cleaned using a rinse product at the end of the second stage in order to completely desorb the external solution and dispersant. In particular, this step can consist of a continuous rinse with pure water.

또한, 섬유 및 스트립의 밀도는 입자의 초기 분산액의 농도에 의하여 조절될 수 있다. 예를 들면, 탄소 나노튜브의 경우, 중량 분율이 수% 미만이 되는 것이 통상적이다.In addition, the density of the fibers and strips can be controlled by the concentration of the initial dispersion of the particles. For example, for carbon nanotubes, it is common for the weight fraction to be less than several percent.

본 발명의 기타의 이로운 특징에 의하면, 이러한 방법은 거시적 섬유 및 스트립을 치밀화시키는 것으로 이루어진 최종 단계를 포함한다.According to another advantageous feature of the invention, this method comprises a final step consisting of densifying the macroscopic fibers and strips.

그러므로, 이러한 최종 단계의 수행은 섬유를 느리게 인발하거나 또는 헹굼 제품(특히, 물)로부터 스트리핑하는 것으로 이루어진다. 그리하여, 이러한 섬유 또는 스트립이 용제로부터 제거되는 경우 모세관 수축이 발생하며, 이러한 수축은 1차 치밀화를 일으키며 이는 용제의 증발에 의하여 증가하게 된다.Therefore, carrying out this final step consists in slowly drawing the fibers or stripping them from the rinse product (especially water). Thus, capillary contraction occurs when such fibers or strips are removed from the solvent, which causes primary densification, which is increased by evaporation of the solvent.

본 출원인은 본 발명에 의한 방법에서 사용된 각종의 변수를 설명하고자 한다.The applicant intends to explain various variables used in the method according to the invention.

제1단계는 분산액의 성질을 갖는 용액을 얻기 위하여 콜로이드 입자 및 용제(수성 또는 유기)의 완전 혼합으로 이루어진다.The first step consists of the complete mixing of the colloidal particles and the solvent (aqueous or organic) to obtain a solution having the properties of the dispersion.

이러한 방법의 제2단계의 각종 제약점에 부합되도록 하기 위하여, 회분식으로 작동되는 장치 또는 반대로 연속적으로 작동하는 장치와 같이 여러 유형의 장치가 적절할 수 있다.In order to meet the various constraints of the second step of this method, various types of devices may be suitable, such as batch operated devices or vice versa continuously operated devices.

그리하여, 제1부류의 장치에 의하면, 반응기 또는 용기는 외부 용액을 포함하며, 이는 작동, 특히 모터 (예를 들면 회전판)에 의하여 회전된다. 또한, 이러한 용기는, 외부 용액의 온도를 변경시키고, 그리하여 물리화학적 변수(예, 점도 등)를 변경시키도록, 열-전달 유체가 순환되도록 하는 이중 자켓이 장착될 수도 있다.Thus, according to the first class of devices, the reactor or vessel comprises an external solution, which is rotated by operation, in particular by means of a motor (for example a rotating plate). Such a vessel may also be equipped with a double jacket to allow the heat-transfer fluid to be circulated to change the temperature of the external solution and thus change the physicochemical parameters (eg viscosity).

모터의 회전 속도를 조절함으로써, 매체는 특히 속도 및 유속면에서 최적의 수압 조건을 부여하게 되어 외부 용액의 순환류에 위치하는 다수의 오리피스를 통하여 방출되는 수성 또는 유기 분산액을 동반하도록 한다.By regulating the rotational speed of the motor, the medium imparts optimum hydraulic pressure conditions, especially in terms of speed and flow rate, so as to accompany the aqueous or organic dispersions released through the plurality of orifices located in the circulation of the external solution.

단면의 프로필이 다양한 (직사각형, 원통형, 정사각형, 원추형 등) 오리피스는 파이프라인에 의하여, 수성 또는 유기 분산액을 포함하는 또다른 탱크에 연결된다. 또한, 계측 펌프 및/또는 원심분리기는, 상기 분산액을 포함하는 완충 탱크와, 외부 용액 중의 분리 탱크의 사이에서 공급 회로에 장착되어 펌프의 작동 변수 (회전 속도, 전달 압력, 유속 등)에 따라서 분산액 (수성 또는 유기)에 최적의 수압 조건을 부여하도록 한다.Orifices of varying cross-sectional profiles (rectangular, cylindrical, square, conical, etc.) are connected by pipeline to another tank containing an aqueous or organic dispersion. In addition, the metering pump and / or centrifuge may be mounted in a supply circuit between the buffer tank containing the dispersion and the separation tank in the external solution, depending on the operating parameters of the pump (rotational speed, delivery pressure, flow rate, etc.). Optimum pressure conditions should be given to (aqueous or organic).

연속 작동되는 장치에서, 분산액을 공급하기 위한 회로의 특징은 회분식으로 작동되는 장치의 특징과 동일하다. 이러한 공지된 유형의 장치는 섬유 산업에 사용되거나 또는 중합체의 방적에 대한 특징을 지닐 수 있다.In a continuously operated apparatus, the characteristics of the circuit for supplying the dispersion are the same as those of the batch operated apparatus. Devices of this known type can be used in the textile industry or characterized for the spinning of polymers.

반대로, 외부 용액을 포함하는 용기에는, 외부 용액이 유입된 후 방출되는 유입 오리피스 및 배출 오리피스가 구비되며, 이는 임의로 가압 회로(펌프, 완충 탱크 등)에 의하여 그리고 임의로 펌프 또는 순환 수단을 비롯한 회송 회로에 의하여 분산액에 대한 순환 및 그로 인한 동반의 설정된 조건하에서 수행된다.In contrast, a vessel containing an external solution is provided with an inlet orifice and an outlet orifice which is discharged after the external solution has been introduced, which is optionally by a pressurization circuit (pump, buffer tank, etc.) and optionally by a return circuit, including pump or circulation means. By virtue of the circulation of the dispersion and hence the accompanying conditions.

물론, 이러한 모든 장치는 회분식으로 또는 연속식으로 작동되건 간에, 사용자가 최적의 작동 조건을 얻기 위하여 분리 공정과 관련된 정보를 제공할 수 있도 록 자동화 시스템 또는 컴퓨터 제어되는 공정 작동 유닛에 의하여 제어될 수 있다Of course, all of these devices, whether operated batchwise or continuously, can be controlled by automation systems or computer controlled process operation units so that the user can provide information relating to the separation process in order to obtain optimum operating conditions. have

따라서, 수성 또는 유기 분산액에 대하여 외부 용액의 점도가 높을 수록 (동일한 온도 및 압력 조건하에서), 보정된 오리피스의 크기가 작을 수록, 외부 용액의 유속이 높을 수록, 장력은 더 크게 발생하며, 입자의 정렬이 더욱 뚜렷해진다. 예를 들면, 고속에서 유동하는 점성 외부 용액과 미세 오리피스를 사용하면 이방성 구조를 생성한다. 반대로, 느리게 유동하는 저 점도의 외부 용액과 단면이 큰 오리피스를 사용하면 입자의 정렬이 거의 없거나 또는 전혀 없는 섬유 및 스트립을 생성한다.Thus, the higher the viscosity of the external solution for aqueous or organic dispersions (under the same temperature and pressure conditions), the smaller the corrected orifice size, the higher the flow rate of the external solution, the greater the tension, The alignment becomes more pronounced. For example, the use of viscous external solutions and fine orifices flowing at high speed creates anisotropic structures. Conversely, the use of slow flowing low viscosity external solutions and large cross sections creates fibers and strips with little or no particle alignment.

이러한 단계 중에, 층류 조건내에서 유지되는 것이 바람직하다. 지나치게 빠른 유동 및 난류는 길고 균일한 섬유 또는 스트립을 얻을 수가 없게 된다.During this step, it is desirable to remain within the laminar flow conditions. Too fast flow and turbulence will result in no long and uniform fibers or strips.

폴리비닐 알콜(PVA)의 수용액은 입자의 현탁을 탈안정화시키고, 이들의 응집을 일으키는데 유효하다. 게다가, PVA는 용액의 점도를 크게 증가시켜 층류를 촉진하는 중합체이다.An aqueous solution of polyvinyl alcohol (PVA) is effective for destabilizing the suspension of particles and causing their aggregation. In addition, PVA is a polymer that greatly increases the viscosity of the solution to promote laminar flow.

입자의 분산액의 사출을 위한 가장 손쉽게 사용할 수 있는 튜브로는 실린더 또는 니들이 있다. 직경이 0.5∼1.0 ㎜인 튜브를 사용하는 것이 가능하다. 입자의 분산액 및 PVA 용액이 서로 충족되는 경우 난류를 발생시키지 않도록 벽 두께가 얇은 튜브를 선택하는 것이 바람직하다.The most readily available tubes for the injection of dispersions of particles are cylinders or needles. It is possible to use a tube having a diameter of 0.5 to 1.0 mm. If the dispersion of particles and the PVA solution are satisfied with each other, it is preferable to select tubes with thin wall thicknesses so as not to generate turbulence.

전기 아크에 의하여 합성되는 나노튜브의 경우, 분산액은 직경이 0.7 ㎜인 원통형 튜브를 통하여 사출되며, 사용되는 사출율은 0.8∼2.5 ㎤/min이고, 나노튜브 사출에서의 PVA 용액의 유속은 5∼30 m/min이 된다. In the case of nanotubes synthesized by an electric arc, the dispersion is injected through a cylindrical tube with a diameter of 0.7 mm, the injection rate used is 0.8 to 2.5 cm 3 / min, and the flow rate of the PVA solution in the nanotube injection is 5 to 30 m / min.                 

PVA 용액의 낮은 사출율 및 높은 유속은 스트립 또는 섬유를 연신시키는 강한 장력을 야기하게 된다. 따라서, 스트립 또는 섬유는 더 얇아지게 되며, 나노튜브의 정렬은 더욱 뚜렷하게 된다. 그러나, 장력이 너무 클 경우, 이는 너무 가늘기 때문에 스트립 또는 섬유가 더 부서지기 쉬워 지게 되는 단점을 갖게 된다. 또한, 난류 조건을 방지하기 위하여 너무 빠른 유속을 사용하지 않도록 하는 것이 중요하다.Low injection rates and high flow rates of PVA solutions result in strong tensions that draw the strip or fiber. Thus, the strips or fibers become thinner and the alignment of the nanotubes becomes more pronounced. However, if the tension is too large, it has the disadvantage of being too thin and making the strip or fiber more brittle. It is also important not to use too fast flow rates to prevent turbulent conditions.

높은 사출율 및 낮은 유속은 더 두껍고 그리하여 더욱 단단한 스트립 또는 섬유가 생성된다. 이러한 조건은 섬유의 생성을 촉진하게 된다. 그러나, 이러한 조건은 스트립 또는 섬유에서의 나노튜브의 정렬을 촉진시키지는 않는다.High injection rates and low flow rates are thicker and thus produce harder strips or fibers. Such conditions will promote the production of fibers. However, these conditions do not promote the alignment of the nanotubes in the strip or fiber.

HiPco 나노튜브에는, 스트립 또는 섬유의 우수한 기계적 특성을 유지하면서 고속을 사용할 수 있다.HiPco nanotubes can be used at high speeds while maintaining the good mechanical properties of the strip or fiber.

마지막으로, 본 발명에 의한 방법은 일반적으로 콜로이드 입자에 적용될 수 있으며, 특히 이방성 입자(예, 카본, 황화텅스텐, 질화붕소, 점토 박편, 셀룰로스, 휘스커, 탄화규소 휘스커 등의 나노튜브)에 적용될 수 있다.Finally, the method according to the invention can generally be applied to colloidal particles, in particular to anisotropic particles (e.g. nanotubes such as carbon, tungsten sulfide, boron nitride, clay flakes, cellulose, whiskers, silicon carbide whiskers, etc.). have.

스트립 또는 섬유의 치밀화 단계와 관련하여, 스트립 또는 섬유를 물로부터 수직 배출시키는 경우, 매우 신속하게 인발되는 경우에는 건조 속도가 더 빠르게 되는 경향이 있다. 이는 스트립 또는 섬유내에 포함된 물이 더 많이 운반되도록 할 수 있다. 결론적으로 차후의 배수 및 건조가 빠르게 된다.With regard to the densification step of the strip or fiber, when the strip or fiber is discharged vertically from water, the drying rate tends to be faster if drawn very quickly. This may allow more water contained in the strip or fiber to be transported. As a result, subsequent drainage and drying is rapid.

반대로, 배출은 스트립 또는 섬유를 파열시킬 수도 있는 고장력으로 스트립 또는 섬유를 처리하지 않도록 하기에 충분히 느리게 이루어져야만 한다. In contrast, the discharge must be made slow enough to avoid treating the strip or fibers with high tension that may rupture the strip or fibers.                 

최대 배출 속도는 스트립 또는 섬유의 크기 및 특성 그리고 입자의 성질에 따라 크게 달라진다. 시간에 구속받지 않을 경우, 스트립 또는 섬유가 파단되지 않도록 배출을 느리게 실시하는 것이 바람직하다. 이로부터 생성된 작은 장력은 입자 정렬에 최적은 아니나, 기타의 작동은 스트립 또는 섬유에서의 정렬을 돕는 것이 가능하다. 또한, 헹군 스트립 또는 섬유는 배출 동안 더 신속하게 건조되도록 하기 위하여 물보다 휘발성이 더 큰 용제 (예, 알콜 또는 아세톤)에 전달하는 것이 가능하다.The maximum discharge rate is highly dependent on the size and properties of the strip or fiber and the nature of the particles. If not constrained in time, it is desirable to slow the discharge so that the strip or fiber does not break. The small tension created therefrom is not optimal for particle alignment, but other operations are possible to aid alignment in strips or fibers. It is also possible to deliver the rinsed strips or fibers to a solvent that is more volatile than water (eg alcohol or acetone) in order to dry more quickly during discharge.

순수한 물을 사용한 헹굼 및 세척의 조작은 합당한 시간 (수일간) 이내에 PVA와 같은 응집제의 최대 분자의 탈착이 가능치 않도록 한다. 따라서, 응집제의 잔사는 최종 스트립 또는 섬유내에 체류하게 된다. 이는 형성되는 스트립 또는 섬유에 대하여 중요한 결과를 갖게 된다. 스트립 또는 섬유를 물에 다시 담글 경우 이들은 부분적으로 팽윤이 발생하게 된다. 이의 길이는 자발적으로 수%로 증가되며, 이의 직경은 2배가 된다.The manipulation of rinsing and washing with pure water makes it impossible to desorb the largest molecule of flocculant such as PVA within a reasonable time (days). Thus, the residue of the flocculant stays in the final strip or fiber. This has important consequences for the strip or fiber formed. When the strip or fibers are immersed again in water they will partially swell. Its length spontaneously increases to several percent, and its diameter doubles.

예를 들면 PVA (또는 기타의 응집제)의 효과는 PVA가 분해되는 고온(400℃ 이상)에서의 어닐링에 의하여 방지될 수 있다.For example, the effect of PVA (or other flocculant) can be prevented by annealing at high temperatures (400 ° C. or higher) at which PVA decomposes.

또한, 분해가 발생하지 않으면서 점도 조절제, 예컨대 PVA를 용융시키도록 적절한 온도(300℃ 이하의 온도)에서 스트립 또는 섬유를 어닐링시킬 수 있다. 또한, 이러한 조건에서의 섬유의 인발은 입자의 정렬을 개선시킨다.In addition, the strip or fibers may be annealed at an appropriate temperature (temperature below 300 ° C.) to melt the viscosity modifier, such as PVA, without degradation. In addition, the drawing of fibers under these conditions improves the alignment of the particles.

이러한 어닐링은 중합체 및/또는 가소제의 추가의 첨가에 하여 수반되는 것이 이롭다. 이러한 고온에서의 첨가는 코팅된 스트립 또는 섬유를 얻을 수 있게 한 다.Such annealing is advantageously accompanied by further addition of polymers and / or plasticizers. Addition at such high temperatures makes it possible to obtain coated strips or fibers.

통상적으로, 스트립 또는 섬유의 구조 및 성질은 이들에서 발휘되는 기계적 작용 (특히 장력 및 왜곡)에 의하여 변형될 수 있다. 이러한 작업은 헹굼 및 건조후 직접적으로 얻는 섬유보다 덜 부서지는 물질에서 수행되는 것이 바람직하다. 이러한 조작은 고온에서 또는 어닐링 동안 용융된 중합체 또는 엘라스토머의 존재하에 초기의 스트립 또는 섬유에 용이하게 수행될 수 있다.Typically, the structure and properties of the strips or fibers can be modified by the mechanical action (especially tension and distortion) exerted thereon. This operation is preferably performed on less brittle materials than the fibers obtained directly after rinsing and drying. This operation can be easily performed on the initial strip or fiber in the presence of molten polymer or elastomer at high temperatures or during annealing.

또한, 스트립 또는 섬유의 축합 및 건조의 조작은 존재하는 불순물 및 콜로이드 입자를 분리할 수 있다. 무정형 탄소 또는 그라파이트와 같은 불순물은 예를 들면 주로 나노튜브로 이루어진 실린더의 주위에서 외부 엔벨로프를 형성하는 경향이 있다.In addition, manipulation of the condensation and drying of the strips or fibers can separate the impurities and colloidal particles present. Impurities such as amorphous carbon or graphite tend to form external envelopes, for example, around a cylinder consisting primarily of nanotubes.

이러한 현상은 신규한 물질을 제조하는데 사용될 수 있다. ㎛ 또는 ㎚ 크기의 입자는 스트립 또는 섬유를 포함하는 외부 용액에 고의로 첨가될 수 있다. 그후, 이러한 입자는 최종 스트립 또는 섬유를 형성하기 위하여 스트립 또는 섬유를 인발하는 중에 동반된다. 탄소 함유 불순물과 같은 양상을 보이는 입자를 사용하는 경우, 이는 콜로이드 입자의 스트립 또는 섬유 주위에 외부 엔벨로프를 형성한다. 이러한 효과는 예를 들면 라텍스 입자를 사용하여 콜로이드 입자의 스트립 또는 섬유 주위에서 중합체를 분리하는 얇은 엔벨로프를 생성하는데 사용될 수 있다.This phenomenon can be used to make new materials. Particles of μm or nm size may be deliberately added to an external solution comprising strips or fibers. This particle is then entrained during drawing the strip or fiber to form the final strip or fiber. When using particles that exhibit a pattern such as carbon containing impurities, they form an outer envelope around the strip or fiber of colloidal particles. This effect can be used, for example, to create thin envelopes that separate the polymer around strips or fibers of colloidal particles using latex particles.

각종 유형의 엔벨로프는 본 발명에 의한 임의의 유형의 스트립 또는 섬유에서 기타 유형의 입자를 사용하여 얻을 수 있다.Various types of envelopes can be obtained using other types of particles in any type of strip or fiber according to the present invention.

입자와 스트립 또는 섬유의 분리는 스트립 또는 섬유의 배출 및 인발 중에 용제의 측면 배수로 인하여 발생하는 것으로 생각된다. 스트립 또는 섬유가 용제로부터 배출되는 경우, 배수는 이의 주변에서 입자를 동반하게 된다. 주변에서의 농축에 의하여 입자는 스트립 또는 섬유의 코어 주위에서 외부 엔벨로프를 형성한다. 이러한 현상은 가능한한 다양한 형태의 기타의 입자의 존재하에 중합체로부터 또는 입자로부터 형성된 스트립 또는 섬유을 포함하는 임의의 시스템에서 관찰되며, 여기서 섬유를 형성하는 중합체 또는 입자에는 거의 결합되지 않거나 또는 전혀 결합되지 않는다. 입자와 스트립 또는 섬유간에 결합이 없거나 또는 결합이 약하다는 것은 각종의 성분을 분리하기 위하여 배수가 가능하며, 상이한 성질을 갖는 엔벨로프와 코어로부터 형성된 스트립 또는 섬유가 생성될 수 있다.Separation of particles and strips or fibers is believed to occur due to lateral drainage of the solvent during the discharge and drawing of the strips or fibers. If the strip or fiber is discharged from the solvent, the drainage will be accompanied by particles at its periphery. Concentration at the periphery causes the particles to form an outer envelope around the core of the strip or fiber. This phenomenon is observed in any system that includes strips or fibers formed from or from polymers in the presence of other particles of as many different forms as possible, where little or no bond is attached to the polymers or particles forming the fibers. . The lack of or weak bonding between the particles and the strips or fibers can be drained to separate the various components, resulting in strips or fibers formed from envelopes and cores having different properties.

그리하여, 엔벨로프를 포함하는 스트립 또는 섬유를 얻으며, 주변의 건조에 의하여 스트립 또는 섬유의 주위에서 ㎛ 또는 ㎚ 크기를 갖는 입자가 형성된다.Thus, a strip or fiber comprising an envelope is obtained, and particles having a size of μm or nm around the strip or fiber are formed by the drying around.

제1단계에서의 물에 분산된 탄소 나노튜브의 용액을 출발 물질로 하는 방법의 제2단계를 수행하기 위한 실험 정치의 개략도를 설명하고자 한다.The schematic diagram of the experimental set-up for carrying out the second step of the method using the solution of carbon nanotubes dispersed in water in the first step as a starting material will be described.

도 1에 도시된 바와 같이, 이러한 장치는 특히 주사기(1) 또는 등가물을 포함하는데, 여기에는 제1단계에서 분산된 나노튜브의 수용액을 배치하게 된다. 이러한 목적을 위하여, 주사기에 고정된 매우 평평한 단면을 갖는 모세관(2)은 주사기의 피스톤(3)을 눌러 용액을 제공된 원통형 용기(4)에 방출하게 된다. 사출율은 분당 수십분의 1 ㎤∼수 ㎤가 된다.As shown in FIG. 1, such a device in particular comprises a syringe 1 or an equivalent, in which an aqueous solution of nanotubes dispersed in the first step is placed. For this purpose, the capillary tube 2 having a very flat cross section fixed to the syringe presses the piston 3 of the syringe to release the solution into the provided cylindrical container 4. The injection rate is in the range of 1 cm 3 to several cm 3 per minute.

매우 평편한 측면을 갖는 원통형 용기(4)는 수십 내지 수백의 rpm의 가변 속도로 회전되도록 한 플레이트(도시하지 않음)상에 고정된다. 모세관(2)의 출구 단 부는 용기내에 포함된 외부 용액(5)(고속인 것이 바람직함)에 잠기게 한다. 특히, 모세관의 출구 단부는 회전축으로부터 이격되어 용기(4)에 접하도록 배치된다. 그후, 저점도의 나노튜브의 분산액은 모세관의 출구에서 용액(5)에 의한 장력하에 동반되어 유속 방향으로 나노튜브가 정렬되도록 한다.The cylindrical container 4 having a very flat side is fixed on a plate (not shown) which is allowed to rotate at variable speeds of tens to hundreds of rpm. The outlet end of the capillary 2 is immersed in an external solution 5 (preferably high speed) contained in the vessel. In particular, the outlet end of the capillary tube is arranged to be in contact with the container 4 spaced apart from the axis of rotation. A dispersion of low viscosity nanotubes is then entrained under tension by the solution 5 at the outlet of the capillary tube to align the nanotubes in the flow direction.

사실상, 계면활성제를 포함하는 분산된 나노튜브 용액을 주사기(1)에 의하여 모세관(2)을 통해 점성액(5)에 사출되고, 계면활성제의 분자는 용액(5)의 점도 조절제로 대체된다. 또한, 나노튜브는 외부 용액(5)의 응집제에 의하여 안정화되지 않기 때문에, 이들은 모세관(2)으로부터의 방출시 응집되어 단면이 사용된 모세관의 단면에 의하여 결정되는 스트립 또는 섬유(6)를 형성하게 된다.In fact, the dispersed nanotube solution comprising the surfactant is injected into the viscous liquid 5 through the capillary 2 by the syringe 1, and the molecules of the surfactant are replaced with the viscosity regulator of the solution 5. In addition, since the nanotubes are not stabilized by the coagulant of the external solution 5, they aggregate upon release from the capillary 2 to form strips or fibers 6 whose cross section is determined by the cross section of the capillary tube used. do.

임의로 이방성인 콜로이드 입자로부터 얻고, 특히 탄소 나노튜브로부터 얻은 본 발명에 의한 거시적 섬유 및 스트립의 특징을 이하에서 설명하고자 한다.The features of the macrofibers and strips according to the invention obtained from colloidal particles, which are optionally anisotropic, in particular from carbon nanotubes, are described below.

이러한 탄소 섬유 및 스트립은 엉킨 나노튜브로 이루어진다. 이러한 구조는 나노튜브에서의 그라파이트 실린더의 형태로 탄소의 정렬로 인한 장력하의 우수한 기계적 성질을 유지하면서 섬유가 상당한 가요성을 갖게 한다. 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이 섬유는 매듭을 형성하거나 또는 직조되도록 크게 만곡될 수 있다.These carbon fibers and strips consist of tangled nanotubes. This structure makes the fibers significantly flexible while maintaining good mechanical properties under tension due to the alignment of the carbon in the form of graphite cylinders in the nanotubes. For example, as shown in FIG. 2, the fibers may be largely curved to form a knot or weave.

또한, 이러한 섬유는 매우 미세하고 촘촘하다. 예를 들면 직경이 1∼100 미크론이고, 이의 밀도가 약 1.5 g/㎤에 이를 수 있는 가변 길이를 갖는 섬유를 얻을 수 있도록 하며, 여기서 밀도는 나노튜브의 치밀한 적층에 대한 이론치(1.3 g/㎤)에 근접한 것이다. In addition, these fibers are very fine and dense. For example, it is possible to obtain a fiber having a variable length of 1 to 100 microns in diameter, the density of which can reach about 1.5 g / cm 3, where density is the theoretical value (1.3 g / cm 3) for dense lamination of nanotubes. Is close to).                 

또한, 얻은 섬유 및 스트립은 나노튜브가 우선적인 배향을 갖는 이방성 구조를 지닐 수 있다. 이러한 배향은 주어진 물질의 전기적 그리고 기계적 반응을 확대하기 위한 중요한 변수가 된다. 그리하여 이러한 구조적 이방성은 교차된 편광기 사이에서의 광학 현미경에 의하여 테스트될 수 있다. 그리하여, 도 3a 내지 도 3c에서는 스트립에 의하여 투과된 강도가 편광기의 축에 대한 배향에 따라 달라질 수 있다는 것을 명백히 알 수 있다.In addition, the obtained fibers and strips may have an anisotropic structure in which the nanotubes have a preferential orientation. This orientation is an important variable for expanding the electrical and mechanical response of a given material. This structural anisotropy can thus be tested by optical microscopy between crossed polarizers. Thus, it can be clearly seen in FIGS. 3A-3C that the intensity transmitted by the strip can vary depending on the orientation of the polarizer's axis.

도 3a 내지 도 3c의 사진에서, 편광기와 분석기의 축은 각각 수직축 및 수평축이 된다. 예를 들면, 도 3a의 경우, 스트립은 편광기와 평행하게 되며, 광은 이를 통과하지 않게 된다. 이는 도 3c에도 마찬가지로 적용되는데, 여기서 스트립은 분석기에 평행하게 된다. 반대로, 스트립은 편광기와 분석기에 대하여 45°경사져 있는데(도 3b), 여기서 분석기는 광의 일부가 통과되도록 한다. 이는 스트립의 주축을 따라서, 즉 외부 용액의 유동에 의하여 초기에 부가되는 방향으로 탄소 나노튜브의 우선적인 정렬을 나타낸다.In the photographs of FIGS. 3A-3C, the axes of the polarizer and the analyzer are the vertical axis and the horizontal axis, respectively. For example, in FIG. 3A, the strip is parallel to the polarizer and no light passes through it. The same applies to FIG. 3C, where the strip is parallel to the analyzer. In contrast, the strip is inclined 45 ° with respect to the polarizer and the analyzer (FIG. 3B), where the analyzer allows some of the light to pass through. This represents the preferential alignment of the carbon nanotubes along the major axis of the strip, ie in the direction initially added by the flow of the external solution.

또한, 나노튜브는 예를 들면 섬유 또는 스트립의 주축을 따라 필요할 경우 정렬이 거의 없게 되는 섬유 또는 스트립을 얻을 수가 있다. 이를 위하여서는, 본 발명에 의한 방법의 제2단계 중에 사용된 외부 용액은 동일한 온도 및 압력 조건하에서, 나노튜브의 수성 분산액에 대하여 낮은 점도를 지녀야만 하고, 이의 유속은 느려야만 하고, 압출 오리피스는 반드시 넓어야만 한다.In addition, the nanotubes can yield fibers or strips that, for example, have little alignment along the major axis of the fibers or strips, if necessary. For this purpose, the external solution used during the second step of the process according to the invention should have a low viscosity with respect to the aqueous dispersion of nanotubes under the same temperature and pressure conditions, its flow rate should be slow and the extrusion orifice It must be wide.

종래의 기술에 비하여 개선된 기계적 및 전기적 특성을 갖는 최종 산물을 얻기 위하여서는 입자의 분산액에서 "단일벽" 탄소 나노튜브 (즉, 단일 그라파이트 실린더로 이루어짐) 또는 "다중벽" 탄소 나노튜브 (이는 수개의 동축 그라파이트 실린더로 이루어짐)를 사용할 수 있으며, 단일벽 나노튜브는 다중벽 나노튜브에 비하여 우수한 기계적 및 전기적 특성을 지니나, 이를 생산하는데는 비용이 많이 든다.In order to obtain a final product with improved mechanical and electrical properties compared to the prior art, "single wall" carbon nanotubes (ie, consisting of a single graphite cylinder) or "multiwall" carbon nanotubes (which can be Consisting of two coaxial graphite cylinders), single-walled nanotubes have superior mechanical and electrical properties compared to multi-walled nanotubes, but are expensive to produce.

본 발명의 이로운 특징에 의하면, 분산액에 사용된 탄소 나노튜브는 분자 기, 예를 들면 폴리에틸 글리콜기 또는 산기의 그라프트에 의하여 화학적으로 변형된다. 이러한 그라프트는 얻은 섬유 또는 스트립의 사이에서 결합 (반데르 발스형 결합, 소수성 결합 또는 수소 결합)을 증가시킬 수 있으며, 이는 이들 섬유 또는 스트립으로 이루어진 물질을 강화시키는 잇점을 갖는다.According to an advantageous feature of the invention, the carbon nanotubes used in the dispersion are chemically modified by grafts of molecular groups, for example polyethyl glycol groups or acid groups. Such grafts can increase the bonds (van der Waals type bonds, hydrophobic bonds or hydrogen bonds) between the fibers or strips obtained, which has the advantage of strengthening the material consisting of these fibers or strips.

본 발명에 의한 섬유 또는 스트립은 입자, 예를 들면 탄소 또는 중합체를 이들 공극에 도입할 수가 있는 공극도를 갖는다. 또한, 이러한 입자의 도입은 기계적 응력에 대한 저항이 우수하며, 응집이 우수한 섬유를 얻을 수 있게 된다.The fibers or strips according to the invention have a porosity in which particles, for example carbon or polymer, can be introduced into these voids. In addition, the introduction of such particles is excellent in resistance to mechanical stress, it is possible to obtain a fiber excellent in aggregation.

본 발명의 또다른 이로운 특징에 의하면, 탄소 나노튜브로부터 얻은 섬유는 소재, 특히 복합재 및 케이블을 강화시키는데 사용된다. 사실상, 이러한 섬유는 통상의 탄소의 특징 (내열성, 내약품성, 그라파이트 층에서의 원자 결합의 강도)을 지니나, 왜곡시에는 덜 부서지게 된다. 그리하여, 가요성이 큰 복합재의 생산이 가능하며, 심지어는 탄소 나노튜브만으로 이루어진 케이블 또는 직물이 가능케 된다.According to another advantageous feature of the invention, fibers obtained from carbon nanotubes are used to reinforce materials, in particular composites and cables. In fact, these fibers have the usual characteristics of carbon (heat resistance, chemical resistance, strength of atomic bonds in the graphite layer), but become less brittle when distorted. This allows the production of highly flexible composites, even cables or fabrics consisting only of carbon nanotubes.

본 발명의 또다른 이로운 특징에 의하면, 탄소 나노튜브로부터 얻은 섬유 및 스트립은 전자 제품 및 미세전자 제품의 분야에서 이의 구조 및 이의 온도에 따라서 전도체, 반도체 또는 절연체로서 사용된다. According to another advantageous feature of the invention, fibers and strips obtained from carbon nanotubes are used as conductors, semiconductors or insulators depending on their structure and their temperature in the field of electronics and microelectronics.                 

본 발명의 또다른 이로운 특징에 의하면, 탄소 나노튜브로부터 얻은 섬유 및 스트립은 나노튜브에 의한 전자 방출을 위한 시스템 (예, 디스플레이)으로서 사용된다.According to another advantageous feature of the invention, the fibers and strips obtained from carbon nanotubes are used as systems (eg displays) for electron emission by nanotubes.

본 발명의 또다른 이로운 특징에 의하면, 탄소 나노튜브로부터 얻은 섬유 및 스트립은 각종의 기계적 시스템에 대한 전기역학적 작동체 또는 인공 근육으로서 사용된다. 그리하여, 무작위 배향의 단일벽 탄소 나노튜브의 필름은 전기의 영향하에서 기계적 변형이 발생하며, 이러한 변형은 정렬된 시스템과 함께 증폭된다. 통상적으로, 이러한 섬유 또는 스트립은 전기 에너지를 기계 에너지로 (또는 그 역으로) 변환시키는 장치에 사용될 수 있다.According to another advantageous feature of the invention, the fibers and strips obtained from carbon nanotubes are used as electrodynamic actuators or artificial muscles for various mechanical systems. Thus, films of randomly oriented single-walled carbon nanotubes undergo mechanical deformation under the influence of electricity, which is amplified with the aligned system. Typically, such fibers or strips can be used in devices that convert electrical energy into mechanical energy (or vice versa).

화학 반응에서의 촉매 또는 촉매 지지체로서, 전기화학에서의 전극으로서, 배터리 시스템에서의 수소 저장의 경우 (특히 탄소 나노튜브로 제조된 섬유의 경우), 근-장 현미경 (터널 효과 및 원자력 현미경)에 대한 팁으로서, 필터 막으로서, 화학적 검출기로서 (탄소 섬유의 전기 저항은 화학적 환경에 대하여 변화됨)의 광학 또는 전자광학 장치(전자확산, 광학 제한 등)에서 또는, 생물질(보철, 건, 인대 등)의 생성을 위한 용도에서 섬유 및 스트립의 적용예를 고려할 수 있다.As catalyst or catalyst support in chemical reactions, as electrode in electrochemistry, for hydrogen storage in battery systems (especially for fibers made of carbon nanotubes), for near-field microscopy (tunnel effects and atomic force microscopy) As a tip, as a filter membrane, as a chemical detector (the electrical resistance of carbon fibers varies with respect to the chemical environment) or in an optical or electro-optical device (electrodiffusion, optical limitation, etc.), or in a biological material (prosthesis, gun, ligament Applications of fibers and strips can be considered in the use for the production of).

마지막으로, 기계적 에너지를 전기 에너지로 그리고 그 역으로의 변환체로서 본 발명의 섬유 또는 스트립을 사용할 수 있다. 사실상, 이러한 섬유 또는 스트립의 기계적 응력은 이들에서의 전기적 하전의 출현을 야기하고, 전기 영향하에서의 섬유 또는 스트립이 변형된다. 이러한 용도의 예로는 기계적 응력 센서, 음파 센서, 초음파 센서 등이 있다. Finally, it is possible to use the fibers or strips of the invention as a transformant of mechanical energy into electrical energy and vice versa. In fact, the mechanical stress of such fibers or strips causes the appearance of electrical charges in them, and the fibers or strips under electrical influence are deformed. Examples of such applications include mechanical stress sensors, sound wave sensors, ultrasonic sensors, and the like.                 

또한, 전기화학적 검출기 및/또는 전극을 제조하기 위하여 본 발명에 의한 섬유 또는 스트립을 사용하는 것을 고려할 수 있다.It is also contemplated to use the fibers or strips according to the invention to produce electrochemical detectors and / or electrodes.

전술한 바와 같은 본 발명은 다수의 잇점을 제공하며, 특히, 이러한 방법은 탄소 나노튜브와 같은 입자로부터의 섬유 또는 일반적으로 용액에 분산된 입자로부터의 섬유를 얻을 수 있다.
The present invention as described above provides a number of advantages, and in particular, such a method can yield fibers from particles such as carbon nanotubes or from particles generally dispersed in solution.

Claims (27)

1) 콜로이드 입자를 용제 중에서, 임의로 계면활성제를 사용하여 분산시키고,1) Colloidal particles are dispersed in a solvent, optionally using a surfactant, 2) 1 이상의 오리피스 개구를 통하여 외부 용액류로, 바람직하게는 동일한 온도 및 압력 조건하에서 점도를 측정하여 1)에서 얻은 분산액의 점도보다 점도가 큰 외부 용액류로 1)에서 얻은 분산액을 사출시켜 입자의 분산액을 탈안정화시키고, 임의로 입자를 정렬시킴으로써 섬유 또는 스트립으로 입자를 응집시키도록 하는 것을 특징으로 하는, 콜로이드 입자로부터 섬유 및 스트립을 얻는 방법.2) The particles obtained by injecting the dispersion obtained in 1) into an external solution stream through one or more orifice openings, preferably under the same temperature and pressure conditions, into an external solution stream having a viscosity higher than that of the dispersion obtained in 1). A method of obtaining fibers and strips from colloidal particles, characterized by destabilizing a dispersion of the particles and causing the particles to aggregate into fibers or strips by optionally aligning the particles. 제1항에 있어서, 입자는 음이온성, 양이온성 또는 중성의 분자 또는 중합체 계면활성제를 사용하여 수성 또는 유기 용제에 분산되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the particles are dispersed in an aqueous or organic solvent using anionic, cationic or neutral molecular or polymeric surfactants. 제1항 또는 제2항에 있어서, 외부 용액은 중합체, 예컨대 폴리올 또는 폴리알콜, 특히 폴리비닐 알콜 또는 셀룰로스 또는 미네랄, 예컨대 점토로부터 선택된 점도 조절제를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.3. Process according to claim 1 or 2, characterized in that the external solution comprises a viscosity modifier selected from polymers such as polyols or polyalcohols, in particular polyvinyl alcohol or cellulose or minerals such as clays. 제3항에 있어서, 응집제가 외부 용액에 첨가되며, 이러한 응집제는 가교 효과를 생성할 수 있는 중합체, 제제가 이온성인 경우 입자를 분산시키는데 사용되는 제제와는 반대의 하전을 갖거나 또는 중성인 계면활성제 또는 염으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.4. The flocculant of claim 3, wherein a flocculant is added to the external solution, the flocculant having an opposite charge or neutral interface with the polymer capable of producing the crosslinking effect, the agent used to disperse the particles if the agent is ionic. Characterized in that it is selected from an active agent or a salt. 제4항에 있어서, 중합체는 폴리비닐 알콜로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 4 wherein the polymer consists of polyvinyl alcohol. 제5항에 있어서, 폴리비닐 알콜은 분자량이 10,000 이상, 특히 10,000∼200,000인 것을 특징으로 하는 방법.6. The process according to claim 5, wherein the polyvinyl alcohol has a molecular weight of at least 10,000, in particular 10,000 to 200,000. 제1항에 있어서, 상기 섬유 또는 스트립은 모세관 수축에 의하여 치밀화되거나 및/또는, 얻은 섬유 또는 스트립은 외부 용액 및/또는 계면활성제를 탈착시키도록 헹굼 제품을 사용하여 세정하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the fibers or strips are densified by capillary contraction and / or the fibers or strips obtained are cleaned using a rinse product to desorb the external solution and / or surfactant. 제7항에 있어서, 상기 섬유 또는 스트립은 헹굼 제품으로부터 수직으로 배출하는 것을 특징으로 하는 방법.8. The method of claim 7, wherein the fiber or strip is discharged vertically from the rinse product. 제7항에 있어서, 상기 섬유 또는 스트립의 어닐링은 고온, 특히 400℃ 이상의 온도에서 또는 중간 온도, 특히 300℃ 이하의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.8. Process according to claim 7, characterized in that the annealing of the fibers or strips is carried out at high temperatures, in particular at temperatures above 400 ° C or at intermediate temperatures, in particular at temperatures below 300 ° C. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 섬유 또는 스트립은 어닐링 중에, 임의로 중합체 및/또는 가소제를 첨가하여 기계적 작용으로 처리하는 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 7 or 8, wherein the fibers or strips are subjected to mechanical action during annealing, optionally with addition of polymers and / or plasticizers. 제1항에 있어서, 외부 용액은 상기 섬유 또는 스트립의 주위에서 외부 엔벨로프를 형성하기 위하여 ㎛ 또는 ㎚ 크기의 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the outer solution comprises particles of μm or nm size to form an outer envelope around the fiber or strip. 제1항에 있어서, 분산액은 특히 상기 섬유 또는 스트립에 대한 소정의 형태에 상응하는 형상의 단면을 갖는 1 이상의 오리피스를 통하여 사출되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the dispersion is injected through at least one orifice having a cross section in shape corresponding to a particular shape for the fiber or strip. 제1항에 있어서, 나노튜브, 특히 탄소 나노튜브는 콜로이드 입자로서 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1, wherein the nanotubes, in particular carbon nanotubes, are used as colloidal particles. 콜로이드 입자, 특히 탄소 나노튜브로 이루어진 것을 특징으로 하는 섬유 및 스트립.Fibers and strips characterized in that they consist of colloidal particles, in particular carbon nanotubes. 제14항에 있어서, 교차된 편광기 사이에서 광학 현미경으로 측정한 바와 같이 이방성 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 섬유 및 스트립.15. The fiber and strip of claim 14 having an anisotropic structure as measured by an optical microscope between crossed polarizers. 제14항에 있어서, 매듭을 형성하거나 또는 직조되도록 크게 만곡되는 것을 특징으로 하는 섬유 및 스트립.15. The fibers and strips according to claim 14, which are largely curved to form a knot or to weave. 제14항에 있어서, 직경이 1∼100 ㎛인 것을 특징으로 하는 섬유 및 스트립.15. The fibers and strips according to claim 14, wherein the fibers are from 1 to 100 mu m in diameter. 제14항에 있어서, 입자는 화학기의 그라프트에 의하여 화학적으로 변형되거나 및/또는 그라파이트의 단일 또는 다수의 동축 실린더로 이루어진 탄소 나노튜브인 것을 특징으로 하는 섬유 및 스트립.15. The fiber and strip of claim 14, wherein the particles are carbon nanotubes that are chemically modified by grafts of chemical groups and / or consist of single or multiple coaxial cylinders of graphite. 제14항에 있어서, 밀도가 약 1.5 g/㎤ 이하가 될 수 있는 것을 특징으로 하는 섬유 및 스트립.The fiber and strip of claim 14, wherein the density can be about 1.5 g / cm 3 or less. 제14항에 있어서, 입자 크기가 ㎛ 또는 ㎚ 단위인 섬유 및 스트립의 주위에서 주변 건조에 의하여 형성된 외부 엔벨로프를 갖는 것을 특징으로 하는 섬유 및 스트립.15. The fibers and strips according to claim 14, wherein the fibers and strips have an outer envelope formed by ambient drying around the strips and fibers having a particle size in micrometers or nm. 제14항 내지 제20항 중 어느 하나의 항에 의한 섬유 및 스트립으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 섬유, 스트립 또는 케이블을 주성분으로 하는 보강재.21. A reinforcement based on fibers, strips or cables, characterized in that it is made of fibers and strips according to any one of claims 14-20. 제14항 내지 제20항 중 어느 하나의 항에 의한 섬유 및 스트립으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 전자 제품 또는 미세전자 제품에서의 도체, 반도체, 절연체.A conductor, semiconductor and insulator in an electronic or microelectronic product, characterized in that it is made of the fibers and strips according to any of claims 14 to 20. 제14항 내지 제20항 중 어느 하나의 항에 의한 섬유 및 스트립으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 전자 방출 시스템, 특히 디스플레이 시스템.An electron emission system, in particular a display system, characterized in that it is made of fibers and strips according to any one of claims 14 to 20. 제14항 내지 제20항 중 어느 하나의 항에 의한 섬유 및 스트립으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 인공 근육 또는 전자기계적 작동체.An artificial muscle or electromechanical actuator, characterized in that it is made of fibers and strips according to any of claims 14 to 20. 제14항 내지 제20항 중 어느 하나의 항에 의한 섬유 및 스트립으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 직물 또는 케이블과 같은 재료.A material, such as a fabric or cable, characterized in that it is made of fibers and strips according to any of claims 14-20. 제14항 내지 제20항 중 어느 하나의 항에 의한 섬유 및 스트립으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 기계적 에너지의 전기 에너지로의 변환체 및 전기 에너지의 기계적 에너지로의 변환체.21. A converter for converting mechanical energy into electrical energy and a converter for converting electrical energy into mechanical energy, characterized in that it is made of fibers and strips according to any one of claims 14-20. 제14항 내지 제20항 중 어느 하나의 항에 의한 섬유 및 스트립으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 화학적 검출기 및/또는 전극.21. A chemical detector and / or electrode, characterized in that it is made of fibers and strips according to any of claims 14-20.
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